Katapulteffekt bei Balsahölzern

[sr5555]

Bei Berichten über Balsahölzern wird immer wieder der Katapulteffekt erwähnt. Manche mögen ihn, andere bemängeln das
nicht-lineare Verhalten. Was passiert da eigentlich?

Wenn der Ball auf den Schläger auftrifft, erfährt der im wesentlichen 2 Arten von Verformung:
Zum Einen wird das Holz in Schlägerachse nach hinten gebogen, ähnlich wie das Sprungbrett im Schwimmbad.
Das Ausmass dieser Biegung wird vom Holzbauer hauptsächlich über Gesamtdicke des Holzes sowie Dicke und E-Modul des
Aussenfurniers eingestellt. (Relativ dünne) Allround-Hölzer sind eher biegeweich (= elastisch) ausgelegt, erlauben somit
längere Ballkontaktzeiten und bieten relativ viel Spinpotenzial bei guter Kontrolle. Dagegen sind (in der Regel dickere)
Offensivhölzer biegesteif, haben weniger Spinpotential und schlechtere Kontrolle, aber dafür höheres Tempo.
Messtechnisch lässt sich diese Eigenschaft über die Resonanzfrequenz erfassen, z.B. mit der Freeware Audacity.

Zum Zweiten - und erst jetzt kommt der Katapulteffekt ins Spiel - dringt der Ball beim Aufprall ein Stück weit in das
Holz ein, ähnlich wie es auf einem Trampolin geschieht. Jedoch bewegt sich hier nicht das gesamte Schlägerblatt nach
innen, sondern nur der Bereich um den Auftreffpunkt herum. Auch hier handelt es sich um eine elastische Verformung, das
Holz federt auch hier wieder zurück.

Wie stark dieser Katapulteffekt ist, hängt sowohl von der Biegesteifigkeit (Dicke, E-Modul) von Zwischen- und Deckfurnier
als auch von der Drucksteifigkeit des Kernfurniers ab. Für letztere ist der E-Modul des Kernfurniers in Belastungsrichtung
massgebend. Kernfurniere liegen meist mit Faserrichtung in Schlägergriffachse, für die Reaktion auf Druckbelastung ist
dann der E-Modul senkrecht zur Faser entscheidend.

Hier ein paar Werkstoffkennwerte für Balsaholz, sie stammen aus:
http://www.timber.asn.au/sitebuilder...sofwoodusa.pdf
E-Modul längs zur Faser: 3400 N/mm**2 (Seite 16)
E-Modul quer zur Faser: siehe Seite 2, Table 4-1, ER/EL = 0.046, also ER (radial oder quer) = 156 N/mm**2
Zum Vergleich, alle anderen in der Tabelle genannten Holzarten weisen deutlich höhere Werte für dieses Verhältnis ER/EL auf.
Es ist also augenfällig und vielleicht auch überraschend, dass Balsa im Vergleich zu anderen Hölzern über eine extrem geringe
Drucksteifigkeit verfügt, wenn es quer zur Faser belastet wird. Dementsprechend tritt bei dieser Bauweise auch ein
so bemerkenswerter Katapulteffekt auf.

Rendler empfiehlt dann auch für seine RE-Impact Balsahölzer, die Belagdicke eine Nummer dünner als gewohnt zu nehmen, quasi
als Kompensation, um die gesamte Einfederung in einem gewohnten Rahmen zu belassen.

Wenn ich nun als Holzbauer den Katapulteffekt verringern möchte, dann nehme ich entweder ein anderes Kernholz als Balsa.
Oder ich verwende Balsa Hirnholz (erhältlich z. B. bei Heerdegen), bei dem der Faserverlauf senkrecht zum
Schlägerblatt, also in Belastungsrichtung des Ballaufpralls steht. Dann ist für die Druckelastizität wieder der Wert in
Faserrichtung, also 3400 N/mm**2 anzusetzen.

Auf diese Weise wäre das Kernfurnier etwa 20 mal drucksteifer als bei Verwendung von Balsa mit längsliegender Faser, und
auch drucksteifer als mit fast jeder anderen Holzsorte, wo die Faser längs liegt. Solche Hölzer mit Hirnholzkern müssten
sich komplett anders spielen. Vielleicht zu steif? Wenn ja, könnte man das ggfs. mit einem weicheren Aussenfurnier kompensieren.
Wobei man hier aufpassen muss, dass man die Drucksteifigkeit, die dem Eindrücken des Balles entgegenwirkt, nicht mit der
Biegesteifigkeit, die dem Verbiegen des kompletten Blattes entgegenwirkt, verwechselt.
Letztere kann man ja mit einer entsprechend dünnen Auslegung des Kerns, z.B. 4 mm, quasi beliebig wählen.

Der einzig mir bekannte Hersteller solcher Balsahölzer ist TSP. Die Spielberichte in den entsprechenden threads sind aber
leider uneindeutig. Vielleicht wurde da mitunter das Eine mit dem Anderen verwechselt.

Ich hatte vor Kurzem ein Standard Balsaholz gebaut (6er Balsakern Faser längs, ZF Limba 0.6, DF Limba 0.6) und werde das
gleiche nochmal bauen - jedoch mit Hirnholz - und dann berichten, wie es sich im direkten Vergleich anfühlt.

Vielleicht hat von euch schonmal jemand sowas ähnliches gemacht?
Oder ein TSP Balsaholz gespielt?

Gruss Stephan

[Weltklasse]

...Gewo baute bzw. baut auch Hölzer mit Balsa-Hirnholz bzw. Balsa-Stirnholz

Die TSP aber auch die Gewo-Hölzer sind allerdings soweit ich weiß alle mit Verstärkungsfasern (Glasfiber, Carbon etc.) ausgestattet.

[sr5555]

Danke, das ist interessant mit den Gewo Hölzern.
Sie schichten Balsa mit Carbon und schneiden das dann an.
Im Donic Katalog ist eine Skizze dazu.
Durch das Carbon bekommt der Kern dann auch etwas Biegesteifigkeit hinzu.

Vielleicht macht Donic mit dem sog. Dotec-Balsa Kern etwas ähnliches???
Ich weiss es nicht.

Ich grübele noch über der Figure 4-1 auf Seite 2 aus obigem link.
Ich denke nun, dass die meisten Furniere tangential angeschnitten werden, nicht radial, bin mir aber nicht sicher. Bei Hinoki ist es aber auf jeden Fall so.
Dann wäre für den E-Modul in Auftreffrichtung des Balles, also senkrecht zum Schlägerblatt, das Verhältnis ET/EL anzusetzen. Nicht ER/EL. Also bei Balsa
0.015 anstatt 0.046. Das würde bedeuten, dass Balsahölzer mit längslaufender Faser im Kern noch weicher sind als vermutet.

Ich vermute auch, dass Rendler bewusst so konstruiert, also bestimmte
Modelle (nicht alle) auf hohen Katapult hin konstruiert. Dazu würde passen, dass er elastische Klebstoffe (oder tut er das nicht?) für die Zwischen- und Deckfurniere verwendet, was das Eindringen des Balles weiter erleichtert. Weil damit die Schubkräfte zwischen den Furnieren reduziert werden. Im Umkehrschluss dürften Epoxi-Carbon-layers den gegenteiligen Effekt haben, quasi eine Anti-Katapult Sperre darstellen. Das würde dann einen Teil des "bocksteifen
Spielgefühls" erklären, welches Carbonhölzern gerne nachgesagt wird.

Gruss Stephan

[tougel]

Zitat von sr5555

Bei Berichten über Balsahölzern wird immer wieder der Katapulteffekt erwähnt. Manche mögen ihn, andere bemängeln das
nicht-lineare Verhalten. Was passiert da eigentlich?
...

Sehr schöne Darstellung. Allerdings habe ich eine kleine Anmerkung/Verbesserung.

Zitat von sr5555

Das Ausmass dieser Biegung wird vom Holzbauer hauptsächlich über Gesamtdicke des Holzes sowie Dicke und E-Modul des
Aussenfurniers eingestellt.

Mir ist nicht klar, warum die Biegefestigkeit nur vom E-Modul des Aussenfurniers abhängen sollte und ich glaube auch, dass du hier falsch liegst. Ich baue selbst schon seit einige Jahren Hölzer (mit Abachi Kern, kein Balsa) und habe hierbei die Erfahrung gemacht, dass große Unterschiede in der Steifigkeit auftreten können, wenn:

- die Dichte (bei gleicher Holzart) des Kerns oder Zwischenfurniers sich ändert
- ein andere Holzart für Kern oder Zwischenfurnier verwendet wird

In beiden Fällen ändert sich eben das E-Modul von Kern und Zwischenfurnier. Soll heißen, diese beiden beeinflussen die Biegefestigkeit auch. Zu beachten ist auch, dass Kern (und oftmals auch das Zwischenfurnier) dicker sind als das Deckfurnier.

Außerden wird die Steifigkeit noch beinflusst, aber weniger entscheidend. durch:

- Art des Leims
- Menge des Leims
- Griffschalenmaterial
- Griffschalenansatzpunkt

mfg
tougel

[Uli-Noppe]

stimma da tougel zu!

Das Ergebinss hängt auch noch ab:

+Pressdruck
+Temperatur

Uli

[sr5555]

@ tougel
Vielleicht habe ich mich missverständlich ausgedrückt, ich meine, dass die Biegesteifigkeit (des Blattes), hauptsächlich (nicht nur) von Dicke UND E-Modul des Aussenfurniers abhängt. Genauer gesagt, sie setzt sich zusammen aus der Summe der Steifigkeiten der einzelnen Lagen. Und die der einzelnen Lage ist proportional zum Produkt aus Flächenträgheitsmoment und E-Modul der einzelnen Lage. Das Flächenträgheitsmoment ist proportional zu h**3.
Der E-Modul längs zur Faser ist in den Holztabellen verfügbar.
Quer zur Faser ist sie nur ein Bruchteil davon, das verstehe ich momentan noch nicht richtig, siehe auch meinen Kommentar oben zu dem link, aber sie dürfte zwischen 5 und 10% des Wertes längs zur Faser sein. Deshalb auch meine Aussage, dass das Aussenfurnier (wenn die Faser längs liegt, tut sie ja meist)
den Löwenanteil ausmacht.
Mal ein Zahlenbeispiel für ein Standardholz, Kern 3 mm Abachi, ZF und DF je 0.6 mm Limba. E-Moduln Abachi 6800 N/mm**2, Limba 12000 N/mm**2
Ich rechne jetzt keine Absolutwerte, sondern zur Steifigkeit PROPORTIONALE Werte.
Kern: 6800* 3**3 = 183 600
Das ZF befindet sich zwischen 3 mm und 4.2 mm.
ZF: 12000* (4.2**3 - 3**3) = 565 056
Da die Faser quer liegt, bleiben aber davon nur (sagen wir jetzt mal) 10% übrig, also 56505. Also knapp ein Drittel vom Kern.
Das DF liegt zwischen 4.2 mm und 5.4 mm.
DF: 12000* (5.4**3 - 4.2**3) = 1 000 512
Das ist dann mehr als 5-mal soviel wie für den Kern.
Von daher komme ich zu meiner o.g. Aussage.

Und ja, das ist nur das Blatt. Für des ganze Holz kommt der Einfluss des Griffes hinzu. Umso höher hier der E-Modul, je dicker der Griff und je höher der Ansatzpunkt, desto steifer das ganze Holz. Da stimme ich absolut zu.

Das Thema Leim finde auch sehr interessant. Ich stelle es mir so vor, dass der Leim beim Pressen in die Holzzwischenräume gelangt und dort die Festigkeit erhöht. Je mehr Leim und umso höher der Druck, desto steifer wird die Konstruktion wohl werden.

@ Uli : was meinst du denn mit Temperatur?

[tougel]

Zitat von sr5555

@ tougel
Vielleicht habe ich mich missverständlich ausgedrückt, ich meine, dass die Biegesteifigkeit (des Blattes), hauptsächlich (nicht nur) von Dicke UND E-Modul des Aussenfurniers abhängt. Genauer gesagt, sie setzt sich zusammen aus der Summe der Steifigkeiten der einzelnen Lagen. Und die der einzelnen Lage ist proportional zum Produkt aus Flächenträgheitsmoment und E-Modul der einzelnen Lage. Das Flächenträgheitsmoment ist proportional zu h**3.
Der E-Modul längs zur Faser ist in den Holztabellen verfügbar.
Quer zur Faser ist sie nur ein Bruchteil davon, das verstehe ich momentan noch nicht richtig, siehe auch meinen Kommentar oben zu dem link, aber sie dürfte zwischen 5 und 10% des Wertes längs zur Faser sein. Deshalb auch meine Aussage, dass das Aussenfurnier (wenn die Faser längs liegt, tut sie ja meist)
den Löwenanteil ausmacht.
Mal ein Zahlenbeispiel für ein Standardholz, Kern 3 mm Abachi, ZF und DF je 0.6 mm Limba. E-Moduln Abachi 6800 N/mm**2, Limba 12000 N/mm**2
Ich rechne jetzt keine Absolutwerte, sondern zur Steifigkeit PROPORTIONALE Werte.
Kern: 6800* 3**3 = 183 600
Das ZF befindet sich zwischen 3 mm und 4.2 mm.
ZF: 12000* (4.2**3 - 3**3) = 565 056
Da die Faser quer liegt, bleiben aber davon nur (sagen wir jetzt mal) 10% übrig, also 56505. Also knapp ein Drittel vom Kern.
Das DF liegt zwischen 4.2 mm und 5.4 mm.
DF: 12000* (5.4**3 - 4.2**3) = 1 000 512
Das ist dann mehr als 5-mal soviel wie für den Kern.
Von daher komme ich zu meiner o.g. Aussage.

Und ja, das ist nur das Blatt. Für des ganze Holz kommt der Einfluss des Griffes hinzu. Umso höher hier der E-Modul, je dicker der Griff und je höher der Ansatzpunkt, desto steifer das ganze Holz. Da stimme ich absolut zu.

Das Thema Leim finde auch sehr interessant. Ich stelle es mir so vor, dass der Leim beim Pressen in die Holzzwischenräume gelangt und dort die Festigkeit erhöht. Je mehr Leim und umso höher der Druck, desto steifer wird die Konstruktion wohl werden.

@ Uli : was meinst du denn mit Temperatur?

Hi Stephan,

die Therorie war mir im Prinzip schon klar, allerdings hatte ich mir noch nie die Mühe gemacht Zahlen rauszusuchen um etwas nachzurechnen. Sollte ich vielleicht einmal machen

Ich bin dann halt doch eher ein Experimenteller . Von daher weiß ich einfach, dass in jeder Theorie (und sei sie noch so gut) Annahmen drin stecken, die mehr oder weniger gut sind und dementsprechend die theoretischen Aussagen mit der Realität manchmal nicht viel gemeinsam haben.

So schlimm ist es in diesem Fall natürlich nicht. Um Hausnummern zu berechnen ist die Theorie sicher gut und ich glaube auch, dass das Deckfurnier und die Gesamtdicke des Holzes den Löwenanteil an der Steifigkeit eines Holzes hat.

Mögliche Fehlerquellen oder Faktoren, die die Theorie nicht abdeckt/einschließt sind:

1. Das E-Modul von Hölzern kann starke Abweichungen aufweisen (siehe Nachtrag ganz unten in blau: http://www.justchords.de/reality/wal...r/tonholz.html). Sicherlich gibt es da eine gewisse Korrelation zur Dichte des Holzes.
Wenn ich annehme, dass eine Holzfaser eine bestimmt Dichte und E-Modul hat, dann wird die Gesamtdichte und das E-Modul aus der "Packungsdichte" der einzelnen Fasern bestimmt (Dichte und E-Modul sollten dann proportional sein).


2. Holz hat quer zur Faserrichtung ein deutlich kleineres E-Modul, das ist klar, aber kann ich bei einem kreuzverleimten Holz wirklich von den einzelnen Schichten ausgehen, also einfach addieren? Welche Rolle spielt hier der Leim. Wieder nur eine zusätzliche "Schicht" mit einen bestimmten E-Modul?
Folgende Überlegungn ohne Berechtigung auf Richtigkeit :
Die einzelnen verleimten Furnierschichten können ja nicht einfach gegeneinander gleiten. Entscheiden dürfte hier das Schermodul des Leims sein (was wiederrum proportional zum E-Modul des Leims ist). Aber wie groß sind dies Werte für Leim? Wie dick ist eine Leimschicht?

Ein höherer Anpressdruck bewirkt eine dünnere Leimschicht zwischen den Furnieren, welche bewirkt, dass die Furniere weniger leicht gegeneinander "gleiten" können. Das macht sich dann eben in eine höheren Steifigkeit bemerkbar.

Eine höhere Temperatur führt zu einer geringeren rel. Feuchte der Hölzer. Dies wiederrum erhöht das E-Modul, macht ein Holz also steifer.

Sehr interessant, das ganze mal theoretisch zu betrachten. Müsste Mann nur mehr Zeit hierfür haben . Dann könnte ich aber weniger bauen und testen/spielen und das macht dann doch deutlich mehr Spaß.

mfg
tougel

[sr5555]

Tougel, du hast völlig recht, die Werkstoffdaten für Holz schwanken extrem.
Und ja, die E-Moduln verhalten sich proportional zur Dichte. Insofern hilft Auswiegen auch immer weiter. Letztendlich komme ich auch nur übers Experimentieren zum Ergebnis.

zu 2) Verleimen erhöht natürlich die Festigkeit. Wenn man mal dieses Experiment macht: nimm je 2 Furnierblättchen, z. B: 10x10 cm, einmal unverklebt, einmal verklebt, leg sie auf 2 Bleistifte und drück in der Mitte drauf:
die Verklebten leisten mehr Widerstand. Liegt aber daran, dass jetzt die Gesamtdicke (welche mit dritter Potenz in das Flächenträgheitsmoment eingeht) doppelt so hoch ist. Wenn du nicht verleimst hast du die Summe aus 2 dünnen Blättchen. Wenn du aber 2 Blättchen einmal kreuzverleimst und ein andermal in gleicher Faserrichtung, dann wirst du sehen, dass das kreuzverleimte in beiden Richtungen Widerstand leistet, dagegen das in gleicher Richtung verleimte in Faserrichtung fast 8-mal so stark ist, aber quer zur Faser nichts hergibt. Meiner Meinung nach dient die Zwischenschicht
dem Vermeiden von Verzug und dem Herstellen von Steifigkeit in Querrichtung, sprich dem Verbessern des Sweetspot.
Also ich denke, man kann die Festigkeitswerte addieren. Man findet in manchen Publikationen zu Sperrholz diese Kleeblattdiagramme, welche die Festigkeiten in beide Achsrichtungen anschaulich machen sollen.

Leim: ich denke, Schiebebewegungen kann man teilweise ermöglichen mit dicken und elastischen Leimschichten, also Pattex oder besser Silikon.
Für die Gesamtfestigkeit ist das schlecht, für den Katapulteffekt möglicherweise gut. Alles andere sollte die Furniere zuverlässig fixieren.

[sr5555]

Das Holz mit Stirnholzbalsa ist fertig.
Eigenfrequenz 1528 Hz, Gewicht 67 g (das Stirnholz war schwer)
Das bis auf das Kernfurnier (längsliegende Faser) identische Vergleichsholz hatte 1421 Hz, 57 g.
Das passt nicht zusammen, dasjenige mit Stirnholz sollte eine niedrigere Eigenfrequenz haben, jedenfalls wenn man die Biegeeigenfrequenz misst.
Ob Audacity da irgendwelche Partialschwingungen misst?
Ich habe im Moment keine Idee.
Anbei die Bilder der beiden Hölzer.

[sr5555]

Habe jetzt noch die Eigenfrequenzen mit Belägen gemessen, auf beiden Hölzern LKT Pro XP, 1.8/1.5.
925/933 Hz, also praktisch kein Unterschied.
Interessant ist aber die Ausprägung des peaks, beim Stirnholz (rechtes Bild) ist sie viel prägnanter, "spitzer". Dagegen verläuft der "Berg" beim Holz mit längsliegendem Balsakern breiter, weiter zu höheren Frequenzen hinaus.
Das würde dann auf höhere Steifigkeit hinweisen.
Ist aber in der Praxis nicht so.
Der erste Spieleindruck war nämlich, dass sich die Stirnholzversion schneller,
direkter spielte. Katapulteffekt habe ich dabei aber eher nicht bemerkt.

Ich hoffe, nun alle Klarheiten beseitigt zu haben .